Le Moteur de Stirling. VIVET Nicolas et BOULANT Anthony Licence Physique, 2003, Université du Maine

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1 Le Moteur de Stirling VIVET Nicolas et BOULANT Anthony Licence Physique, 2003, Université du Maine 1

2 Historique Moteur de Stirling Fonctionnement Notre Moteur Sommaire Pompe à chaleur de Stirling Fonctionnement Nos prototypes et leurs performances Avantages/ Inconvénients /Applications 2

3 Historique Pasteur Stirling (1790,1878) Moteur à air chaud breveté en1816 Construire un moteur sans chaudière Dépasser par le moteur à combustion Application dans l automobile qui fut oubliée (rendement de 30 %) Ecologique 3

4 MOTEUR DE STIRLING DE TYPE γ 4

5 Fonctionnement du moteur Les quatre étapes du fonctionnement. Détente Refroidissement Compression Chauffage Représentation dans le diagramme P,V 5

6 Détente 6

7 Refroidissement 7

8 Compression 8

9 Chauffage 9

10 Représentation dans le diagramme PV Source: 10

11 Notre Moteur de Stirling 1/Conception 2/Améliorations 3/Démo 4/Mesures 5/Performances 6/Rendement 11

12 Conception du moteur -Réalisation du disque supérieur et du portique. -Réalisation du disque inférieur. -Conception du piston de déplacement. -Fermeture du bloc déplaceur. -Construction du bloc «moteur». -Construction du volant d inertie. -Réalisation et réglages des bielles. 12

13 Améliorations 1 Utilisation d inox pour éviter la corrosion. Blocage des billes Utilisation de plastique pour le piston déplaceur Réduire la masse de tout ce qui bouge(bielles, pistons, cd ) 13

14 14

15 Améliorations 2 Disques de plus grand diamètre. Utilisation d un cylindre en plastique transparent. Modification du portique et ajout d un petit moteur pour permettre le fonctionnement en mode «pompe à chaleur». 15

16 16

17 17

18 Démo Recommandations pour faire fonctionner le moteur : Disposer le moteur sur la source chaude puis dés que le cd commence à tourner disposer la source froide (glaçons) sur le disque supérieur. La position des sources n a pas d importance mais nous avons souvent disposer la source chaude en dessous. 18

19 Avec la source chaude en dessous 19

20 Avec la source chaude au dessus 20

21 Mesures Mesure de la vitesse de rotation du cd Avec un stroboscope Grâce à une porte optique Mesure de la puissance mécanique 21

22 Mesure de la vitesse de rotation du CD 22

23 Mesure de la vitesse de rotation du CD 23

24 Mesure de la Puissance Mécanique P m = 2 π ν F 1 - F 2.r P m =2π r. ν. F 1 - F 2 = 2π = 23mW 24

25 Mesure de la Puissance Mécanique 25

26 P m =50mW 26

27 27

28 Fréquence de rotation en fonction du temps f ( t o u r s /s e c ) 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 0, t(min) 28

29 Variation de Tbas et Thaut en fonction du temps T ( C) T haut T bas t(min) 29

30 Rendement Il est égal à celui du cycle de Carnot Voir Régénérateur T η =1 T f c 30

31 rendement théorique du moteur en fonction du temps 0,300 0,250 rendement 0,200 0,150 0,100 0,050 0, t (min) 31

32 Essai avec N2 liquide 32

33 Fonctionnement en Pompe à Chaleur MACHINE n 1 FONCTIONNEMENT PERFORMANCES MACHINE n 2 DESCRIPTION PERFORMANCES 33

34 Machine n 1 34

35 Chauffage 35

36 Compression 36

37 Refroidissement 37

38 Détente 38

39 39

40 Variation des températures haute et basse en fonction du temps T( C) 22, , , , t (min) T haut T bas 40

41 Conclusion Expérimentale Même si nous avons observé les variations de températures attendues (théoriques), elles restent néanmoins minimes, et doivent pouvoir être améliorables. Pourquoi notre second moteur ne nous a t il pas permis un refroidissement important? La dépression est minuscule à cause de la taille de notre piston moteur. De plus les sources «froide» et «chaude» sont très proches l une de l autre, leur influence mutuelle empêche l obtention de grande différence de température. 41

42 Machine n 2 Configuration α 42

43 Construction COMPRESSEUR à DEUX PISTONS ISOLEMENT DU BLOC MOTEUR MODIFICATION POUR OBTENIR UN DEPHASAGE DE π 2 43

44 44

45 45

46 46

47 1. Ajouter l étape de refroidissement 2. Modification du vilebrequin 47

48 48

49 49

50 Fonctionnement 50

51 Pas besoin de chaudière sophistiquées Fluide de travail non renouvelé +peu d entretien (pas de lubrifiant) =économique Fonctionne avec n importe qu elle source de chaleur (solaire..) Aucun rejet = écologique Rendement élevé Avantages Fonctionnement en régime fermé = pas de corrosion Peu bruyant 51

52 Inconvénients Prix de fabrication Le rendement dépend de la différence de température stockage coûteux (voiture) Puissance difficile à régler Fuite du fluide de travail 52

53 Utilisations Usage militaire (sous marin silencieux) Domaine spatial(satellite,rendement élevé car grande différence de température) ex NASA Application industrielle (automobile) Production de basses températures (cryogénie jusqu à 10 K, vision infra-rouge) Utilisations domestiques (cogénération: chauffage et production d électricité; réfrigérateur ) Applications biomédicales (cœur artificiel) 53

54 Bibliographie Photologie.net (Hubert Roussel) TP SM2 Théorie: Thermodynamique (Pérez) 54

55 Merci de votre attention 55

56 Moteurs de Stirling de la NASA 56

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58 58

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60 60

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